低頻或超低頻振動測量套件

《低頻或超低頻振動測量套件》涉及低頻和超低頻振動領(lǐng)域，尤其涉及用于對低頻或者超低頻振動進行測量的傳感器及包括該傳感器的測量套件。

低頻和超低頻振動屬于自然界中存在面較廣的物理現(xiàn)象，如橋梁、大壩、高樓、大型水輪機組等大型結(jié)構(gòu)的環(huán)境振動以及地震中的一些振動等都屬于低頻或超低頻振動。這些大型結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生危險，將會造成不可估量的損失，因此開展低頻和超低頻振動的研究意義重大。

截至2010年9月，用于低頻或超低頻振動測量的加速度傳感器比較較少，而且使用的低頻加速度傳感器的振動頻率幾乎都是在0.5赫茲以上。此外，常用于地震測量的地震計也用于低頻或超低頻振動測量，但是地震計體積較大，除了特殊場合，不太適合實驗室的研究，且多為速度型傳感器。

因此，需要一種體積較小的、能夠?qū)Φ皖l或超低頻振動進行精確測量的低頻或超低頻振動套件。

此套件主要針對于振動計量部門的標準考核和振動量值的傳遞工作，此套件的出現(xiàn)為振動計量標準提供了一種溯源途徑，填補低頻或超低頻振動計量無合適傳遞標準的空白。

圖1示意性地示出了根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》實施例的低頻或超低頻振動測量套件的示意圖；

圖2示意性地示出了適于在根據(jù)該發(fā)明的低頻或超低頻振動測量套件中使用的撓性加速度計的示意圖；

圖3示意性地示出了適于在根據(jù)該發(fā)明的低頻或超低頻振動測量套件中使用的適調(diào)放大器的示意圖；

圖4示意性地示出了根據(jù)該發(fā)明一個實施例的適調(diào)放大器的電路圖；

圖5示意性地示出了適于在根據(jù)該發(fā)明的低頻或超低頻振動測量套件中使用的穩(wěn)壓電源部件的示意圖；

圖6示意性地示出了根據(jù)該發(fā)明一個實施例的穩(wěn)壓電源部件的電路圖。

2016年12月7日，《低頻或超低頻振動測量套件》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

圖1示意性地示出了根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》實施例的低頻或超低頻振動測量套件100的示意圖。如圖1所示，低頻或超低頻振動測量套件100包括撓性加速度計110、適調(diào)放大器120和穩(wěn)壓電源部件130。撓性加速度計110用于感測低頻或超低頻振動，并根據(jù)所感測到的低頻或超低頻振動產(chǎn)生低頻或超低頻振動信號。適調(diào)放大器120對撓性加速度計110所感測到的低頻或超低頻振動信號進行放大，可選地還對所感測到的低頻或超低頻振動信號進行濾波，并輸出被放大和濾波的信號。由于低頻或超低頻振動測量要求適調(diào)放大器120本身應具有極低的電路噪聲。而普通線性電源的紋波噪聲在1～5毫伏左右，中間還夾雜例如為50赫茲的工頻干擾，因此如果利用普通電源給適調(diào)放大器120提供電源，則對微弱信號的測量非常不利。針對此種情況，根據(jù)該發(fā)明的穩(wěn)壓電源部件130提供了低噪聲和低紋波的穩(wěn)壓電源。利用來自穩(wěn)壓電源部件130的電源，適調(diào)放大器120的本底噪聲被顯著降低了，并且也去除了工頻干擾，因此，適調(diào)放大器120可以輸出準確的低頻或超低頻振動信號。

可選地，穩(wěn)壓電源部件130也可以給撓性加速度計110提供電源，從而可以減少撓性加速度計110所感測到的低頻或超低頻振動信號中的噪聲，以進一步提高低頻或超低頻振動測量套件100的精確度。

下面，將結(jié)合附圖2-6來詳細描述低頻或超低頻振動測量套件100中各個部件。

圖2示意性地示出了撓性加速度計110的示意圖。如圖2所示，撓性加速度計110通常為石英撓性加速度計，但是可以在《低頻或超低頻振動測量套件》的范圍之內(nèi)應用其他撓性加速度計。撓性加速度計110包括差動電容傳感器111、力平衡放大器113、電磁力矩器114和振動信號輸出115。如圖所示，差動電容傳感器111具有位于電容器中間的質(zhì)量擺112。質(zhì)量擺112靠撓性平橋（未示出）支撐，它使得加速度計在輸入軸方向的剛度最?。ń醭首杂傻臒o約束狀態(tài)），而在其它方向的剛度極大。因此，當沿著加速度計的輸入軸方向有由于振動而導致的加速度作用時，質(zhì)量擺112的位置發(fā)生變化，從而使差動電容傳感器111的電容值發(fā)生變化。力平衡放大器113耦接到差動電容傳感器111，因此可以檢測差動電容傳感器111的電容值變化，并根據(jù)該變化產(chǎn)生再平衡電流加給電磁力矩器114，而電磁力矩器114產(chǎn)生的電磁力矩又使質(zhì)量擺112回到原來的位置。振動信號輸出115耦接到力平衡放大器113以根據(jù)再平衡電流來產(chǎn)生代表所感測到的加速度的信號。由于低頻或超低頻振動會導致?lián)闲约铀俣扔嬎袦y到的加速度的變化，因此，振動信號輸出115所產(chǎn)生的信號也代表了低頻或超低頻振動，并也可以稱為低頻或超低頻振動信號。振動信號輸出115可以以電流方式或者電壓方式提供低頻或超低頻振動信號。所有這些方式都在該發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

應當注意的是，力平衡放大器113通常為有源放大器，其通常需要電源輸入，而電源的穩(wěn)定性可以影響所產(chǎn)生再平衡電流的穩(wěn)定性，因此，根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例，力平衡放大器113也由穩(wěn)壓電源部件130提供電源。

還應當注意的是，雖然圖2中給出了撓性加速度計的一個實例，但是該領(lǐng)域技術(shù)人員應當理解，《低頻或超低頻振動測量套件》不限于此，所有可以以電流方式或者電壓方式提供低頻或超低頻振動信號的撓性加速度計都在該發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例，撓性加速度計110的靈敏度為1.2～1.4毫安/克，因此由撓性加速度計110產(chǎn)生的信號微弱。通常使用撓性加速度計110的低頻或超低頻振動臺在振動頻率較低時，推力小，受外界如電噪聲、噪音和機械噪聲等干擾非常嚴重。因此，如果不采用放大和濾波等手段，由撓性加速度計產(chǎn)生的低頻或超低頻振動信號將完全淹沒在噪聲之中。

圖3和4示意性地示出了適于在根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的低頻或超低頻振動測量套件中使用的適調(diào)放大器120的示意圖和特定的電路圖。如圖3所示，適調(diào)放大器120具有用于接收低頻或超低頻振動信號的輸入端121。輸入端121可以是接收電流信號的輸入端121_1或者接收電壓信號的輸入端121_2。如果輸入信號為電流信號，則適調(diào)放大器120還具有耦接到輸入端121_1的電流電壓變換器122，用于將所接收的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

適調(diào)放大器120所接收的低頻或超低頻振動信號具有靜態(tài)分量和動態(tài)分量。靜態(tài)分量即在沒有振動時低頻或超低頻振動信號的值，一般而言，靜態(tài)分量不是恰好為零值，而動態(tài)信號即在感測到低頻或超低頻振動時的信號變化，其通常在靜態(tài)分量值的上下震蕩。而對于信號處理而言，消除靜態(tài)分量，即將信號中的靜態(tài)分量值降低為零具有明顯的優(yōu)點。為此，適調(diào)放大器120還內(nèi)設有調(diào)零電路123。調(diào)零電路123提供了電壓基準原，其電壓值與所接收的電壓信號（或者轉(zhuǎn)換后的電壓信號）中的靜態(tài)分量相對應。適調(diào)放大器120還包括耦接到輸入端121和調(diào)零電路123的減法器124。減法器124接收表示低頻或超低頻振動的電壓信號和調(diào)零電路123提供的基準電壓，并從表示低頻或超低頻振動的電壓信號中減去基準電壓以提供待放大的電壓信號。此時，待放大的電壓信號的靜態(tài)分量被調(diào)整為零，即電壓信號變?yōu)樵诹阒蹈浇鹗幍男盘枺@特別適合于后續(xù)信號處理。

適調(diào)放大器120隨后包括多級放大器125，其耦接到減法器124的輸出端以獲取待放大的電壓信號并對該電壓信號進行放大。可以利用選通開關(guān)來選擇多級放大器之一來對電壓信號進行不同倍數(shù)的放大，以適應于不同的應用環(huán)境。根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例并如圖4所示，適調(diào)放大器120具有5級串聯(lián)連接的10倍直流放大器125_1，...125_5，每級放大器的輸入通過選通開關(guān)連接到多級濾波器126的濾波輸入端。因此，放大器125可以提供×1、×10、×100、×1000、×10000或者×100000的放大輸出，而且可以根據(jù)實際應用條件選擇上述放大倍數(shù)之一。

可選地，多級濾波器126接收被多級放大器125放大后的信號，并對該放大后的信號進行濾波。多級濾波器126可以提供多種濾波方式，以便根據(jù)實際應用條件選擇濾波方式之一。例如，如參考圖4所述的那樣，多級濾波器126為二階多級有源低通濾波器，其可以提供無濾波、0.02赫茲、0.2赫茲、2赫茲或者20赫茲的低通濾波方式。在實際應用中，可以根據(jù)具體情況選擇適當?shù)臑V波方式，以有效濾除低頻或超低頻振動信號中的噪聲。

隨后，適調(diào)放大器120輸出經(jīng)過多級濾波器126處理的信號作為低頻或超低頻振動信號。

應當注意的是，在適調(diào)放大器120中，有多個部件，例如但不限于調(diào)零電路123、多級濾波器126或者電流電壓變換器122等都需要電源供應，而低頻或超低頻振動測量要求適調(diào)放大器120本身應具有極低的電路噪聲。普通線性電源的紋波噪聲在1～5毫伏左右，中間還夾雜50赫茲的工頻干擾，這對微弱信號的測量非常不利。因此，需要專門設計的電源部件以向適調(diào)放大器120提供低噪聲、低紋波的穩(wěn)壓電源。根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例，穩(wěn)壓電源應當滿足在±15伏輸出的條件下，紋波峰峰值僅為微伏級。這可以降低適調(diào)放大器120的本底噪聲，去除50赫茲的工頻干擾，為后續(xù)的信號處里和測量提供了有力的保證。

圖5和圖6示意性地示出了適于在根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的低頻或超低頻振動測量套件100中使用的穩(wěn)壓電源部件130的示意圖和示例電路圖。如圖5和圖6所示，穩(wěn)壓電源部件130具有輸入端131用于接收傳統(tǒng)交流電源，如220伏，50赫茲的交流電源。所接收的交流電源經(jīng)由單相橋式整流電容濾波電路132過濾為直流但是電壓波形不穩(wěn)的電壓信號。隨后，該電壓信號由耦接到電容濾波電路132的一級穩(wěn)壓部件133和耦接到一級穩(wěn)壓部件的二級穩(wěn)壓部件134進行穩(wěn)壓。二級穩(wěn)壓部件134還向一級穩(wěn)壓部件133提供反饋以構(gòu)成反饋式跟蹤穩(wěn)壓電路，由此可以降低電壓波動。經(jīng)過穩(wěn)壓的信號由耦接到二級穩(wěn)壓部件134的π濾波電路135進行進一步處理以去掉信號中的高頻噪聲。根據(jù)該發(fā)明的實施例并如圖6所示，π濾波電路135具有LC結(jié)構(gòu)，然而其他結(jié)構(gòu)的π濾波電路135也在該發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。此時所獲得的電源信號已經(jīng)可以較好地滿足《該發(fā)明的應用。但是為了進一步穩(wěn)定電源信號的電壓幅值，可以再進行一次穩(wěn)壓，即在π濾波電路135之后耦接三級穩(wěn)壓部件136以便進一步對電源電壓進行穩(wěn)壓，從而提供紋波噪聲小的、純凈穩(wěn)定的直流電源到電源輸出端137。

低頻或超低頻振動測量套件專利目的

《低頻或超低頻振動測量套件》提出了一種可以解決上述問題的低頻或超低頻振動測量套件。

低頻或超低頻振動測量套件技術(shù)方案

《低頻或超低頻振動測量套件》的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，2010年9月前在航天系統(tǒng)中使用的、應用于飛行器姿態(tài)控制的石英撓性伺服加速度計具有體積小、重量輕、高分辨率和穩(wěn)定性好等特點，且具有直流響應的特性。如果將該類傳感器應用于低頻或超低頻振動測量，并針對該類傳感器設計特定的電源和適調(diào)放大器，則可以對低頻或超低頻振動進行精確的測量。該發(fā)明基于上述發(fā)現(xiàn)而做出。

根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的一個方面，提供了一種低頻或超低頻振動測量套件，包括：石英撓性加速度計，測量低頻或超低頻振動并輸出以電壓或者電流方式表示的低頻或超低頻振動信號；適調(diào)放大器，接收所述石英撓性加速度計輸出的低頻或超低頻振動信號，對所述低頻或超低頻振動信號進行可選的放大處理并輸出經(jīng)處理的低頻或超低頻振動信號；以及穩(wěn)壓電源部件，用于為所述適調(diào)放大器提供穩(wěn)壓電源，其中所述穩(wěn)壓電源部件包括：電源輸入端，以提供輸入電源；耦接到所述電源輸入端的一級穩(wěn)壓部件以及耦接到所述一級穩(wěn)壓部件的二級穩(wěn)壓部件，所述一級和二級穩(wěn)壓部件構(gòu)成反饋式跟蹤穩(wěn)壓電路，以降低所述輸入電源電壓的波動；耦接到所述二級穩(wěn)壓部件的LC濾波電路，以進一步過濾所述電源電壓中的高頻分量；以及電源輸出端，輸出經(jīng)穩(wěn)壓的電源給所述適調(diào)放大器。

可選地，穩(wěn)壓電源部件的電源輸出端還輸出經(jīng)穩(wěn)壓的電源到撓性加速度計。

可選地，穩(wěn)壓電源部件還包括耦接在所述LC濾波電路和所述電源輸出端之間的三級穩(wěn)壓部件，用于進一步降低所述電源電壓的波動。

可選地，適調(diào)放大器還包括：調(diào)零電路，接收來自所述穩(wěn)壓電源部件的經(jīng)穩(wěn)壓的電源，并提供與所述低頻或超低頻振動信號中的靜態(tài)分量相對應的調(diào)零信號；減法器，接收所述低頻或超低頻振動信號和所述調(diào)零信號，并輸出從所述低頻或超低頻振動信號中減去所述調(diào)零信號之后的經(jīng)調(diào)零信號；多級直流放大器，接收所述經(jīng)調(diào)零信號并進行多級直流放大，以提供多個放大后的低頻或超低頻振動信號；以及多個有源濾波器，接收來自所述穩(wěn)壓電源部件的經(jīng)穩(wěn)壓的電源，用于對所述放大后的低頻或超低頻振動信號進行濾波。

低頻或超低頻振動測量套件改善效果

根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的發(fā)明人的實驗結(jié)果表明，根據(jù)《低頻或超低頻振動測量套件》的適調(diào)放大器在0.01赫茲～100赫茲的低頻或超低頻振動范圍內(nèi)取得了較好的測量效果。

1.一種低頻或超低頻振動測量套件，包括：石英撓性加速度計，測量低頻或超低頻振動并輸出以電壓或者電流方式表示的低頻或超低頻振動信號；適調(diào)放大器，接收所述石英撓性加速度計輸出的低頻或超低頻振動信號，對所述低頻或超低頻振動信號進行可選的放大處理并輸出經(jīng)所述處理后的低頻或超低頻振動信號；以及穩(wěn)壓電源部件，用于為所述適調(diào)放大器提供穩(wěn)壓電源，其中所述穩(wěn)壓電源部件包括：電源輸入端，以提供輸入電源；耦接到所述電源輸入端的一級穩(wěn)壓部件以及耦接到所述一級穩(wěn)壓部件的二級穩(wěn)壓部件，所述一級和二級穩(wěn)壓部件構(gòu)成反饋式跟蹤穩(wěn)壓電路，以降低所述輸入電源電壓的波動；耦接到所述二級穩(wěn)壓部件的π濾波電路，以進一步過濾所述電源電壓中的高頻分量；以及電源輸出端，輸出經(jīng)穩(wěn)壓的電源給所述適調(diào)放大器。

2.如權(quán)利要求1所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述穩(wěn)壓電源部件的電源輸出端還輸出經(jīng)穩(wěn)壓的電源到所述撓性加速度計。

3.如權(quán)利要求1所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述穩(wěn)壓電源部件還包括：耦接在所述LC濾波電路和所述電源輸出端之間的三級穩(wěn)壓部件，用于進一步降低所述電源電壓的波動。

4.如權(quán)利要求1-3中的任一個所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述適調(diào)放大器還包括：調(diào)零電路，接收來自所述穩(wěn)壓電源部件的經(jīng)穩(wěn)壓的電源，并提供與所述低頻或超低頻振動信號中的靜態(tài)分量相對應的調(diào)零信號；以及減法器，接收所述低頻或超低頻振動信號和所述調(diào)零信號，并輸出從所述低頻或超低頻振動信號中減去所述調(diào)零信號之后的經(jīng)調(diào)零信號。

5.如權(quán)利要求4所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述適調(diào)放大器還包括：多級直流放大器，接收所述經(jīng)調(diào)零信號并進行多級直流放大，以提供多個放大后的低頻或超低頻振動信號。

6.如權(quán)利要求5所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述多級直流放大器分別提供放大1倍、10倍、100倍和1000倍的放大后的低頻或超低頻振動信號。

7.如權(quán)利要求1-6中的任一個所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述適調(diào)放大器還包括：多個有源濾波器，接收來自所述穩(wěn)壓電源部件的經(jīng)穩(wěn)壓的電源，用于對所述放大后的低頻或超低頻振動信號進行濾波。

8.如權(quán)利要求7所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述多個濾波器用于分別針對0.02赫茲、0.2赫茲、2赫茲和20赫茲的頻率進行濾波。

9.如權(quán)利要求1-8中的任一項所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述撓性加速度計包括：差動電容傳感器，其包括處于所述差動電容傳感器中間的質(zhì)量擺，所述質(zhì)量擺在加速度的作用下發(fā)生偏移而導致所述差動電容傳感器的電容值發(fā)生變化；力平衡放大器，耦接到所述差動電容傳感器，并根據(jù)所述差動電容傳感器的電容值變化而產(chǎn)生再平衡電流；電磁力矩器，耦接到所述差動電容傳感器和所述力平衡放大器，接收所述再平衡電流并產(chǎn)生電磁力矩，以導致所述質(zhì)量擺返回原來位置；信號輸出端，耦接到所述力平衡放大器，以輸出由所述再平衡電流所表示的低頻或超低頻振動信號。

10.如權(quán)利要求9所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述力平衡放大器為有源放大器，并且由所述穩(wěn)壓電源部件提供穩(wěn)壓電源。

低頻超低頻振動測量技術(shù)在大型建筑、航空航天、地球活動等領(lǐng)域的監(jiān)測中起著舉足輕重的作用，電學振動傳感器在抗惡劣環(huán)境如高溫、強電磁干擾等方面受到了一定限制，部分光學類振動傳感器在傳感裝置體積、抗參數(shù)交叉敏感、探測最低頻率和靈敏度方面還需改進和完善。結(jié)合課題組在光纖微加工和光纖低頻超低頻振動研究方面多年的研究基礎(chǔ)，為進一步降低振動傳感器的可探測頻率、提高振動響應靈敏度和抗干擾能力，申請人提出一種高靈敏度的基于光動力學的微型化全光纖諧振頻率掃描式振動傳感技術(shù)。核心思想是利用光輻射壓力和光制熱應力來調(diào)節(jié)微振動傳感器的諧振頻率，從而實現(xiàn)基于微振動結(jié)構(gòu)的低頻和超低頻振動測量的高靈敏度讀出。該技術(shù)的突出優(yōu)點是將全光纖振動傳感器集成在光纖上來實現(xiàn)全光纖振動傳感器的微型化；通過諧振頻率掃描式的讀出機制來實現(xiàn)弱振動的高靈敏度檢測和提高抗干擾能力。因此該項目具有很好的學術(shù)研究意義和重要的潛在應用價值。

低頻超低頻振動測量技術(shù)在大型建筑、機械設備、航空航天、地球活動等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，電學振動傳感器在抗惡劣環(huán)境如高溫、強電磁干擾等方面受到了一定限制，部分光學類振動傳感器在傳感裝置體積、抗參數(shù)交叉敏感、探測最低頻率和靈敏度方面還需改進和完善。光纖傳感技術(shù)因其抗電磁干擾、易組網(wǎng)和可遠距離測量等優(yōu)點，已成為低頻振動測量技術(shù)中最具潛力的傳感技術(shù)之一，但是對于構(gòu)成“智能結(jié)構(gòu)”現(xiàn)有的光纖振動傳感器還存在一些問題，比如體積大、可探測振動頻率范圍下限偏高、溫度交叉敏感等。 針對現(xiàn)有光纖振動傳感器存在的問題，項目按照傳感器的微型化、可探測振動頻率范圍低頻化和消除溫度交叉敏感的總體思想，分析了振動響應結(jié)構(gòu)的理論模型及其阻尼和諧振頻率對響應度的影響，研究了三種不同類型的全光纖微型化的低頻超低頻振動傳感器，并在傳感器的設計、制作、優(yōu)化和環(huán)境響應特性測試等方面做了比較系統(tǒng)全面的分析。經(jīng)過4年的研究完成了如下三個任務：(1). 設計基于微結(jié)構(gòu)光纖和琺珀干涉儀的全光纖點式簡支梁型低頻超低頻振動傳感器；(2). 設計并制作帶質(zhì)量塊懸臂梁式全光纖低頻F-P加速度傳感器和基于微結(jié)構(gòu)光纖的擺錘型全光纖點式低頻振動傳感器；(3).設計制作了一種基于微結(jié)構(gòu)光纖布拉格光柵的振動和溫度同時準分布式測量的全光纖傳感器。設計制作的傳感器集成了微振動梁和質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，可以同時對振動和溫度進行準分布式測量，可以有效探測0.5Hz～10Hz的振動，其信噪比高達28dB，為解調(diào)振動信息提供了足夠保障。同時該傳感器的溫度特性線性度較好，實驗測得在20℃～180℃內(nèi)，F(xiàn)BGs的溫度敏感度分別為8.55pm/℃和8.09pm/℃，該傳感器在大型建筑物和機械質(zhì)量監(jiān)測應用中具有很大的實用價值。 發(fā)表SCI收錄論文8篇；培養(yǎng)了2名博士生，6名碩士研究生；全面完成了該項目的預期目標。 2100433B